
电子发射(Electron Emission)是指电子从材料表面逸入真空或周围介质的过程,是电子工程和物理学中的重要基础概念。其核心机制涉及材料内部电子克服表面势垒的能量跃迁,主要分为以下几种类型:
材料受热时,部分电子获得足够动能越过表面势垒而逸出。其电流密度遵循理查森-杜什曼定律: $$ J = ATe^{-W/kT} $$ 其中 $A$ 为材料常数,$T$ 为绝对温度,$W$ 为功函数,$k$ 为玻尔兹曼常数。该现象应用于真空管阴极和电子显微镜电子源。
强电场(>10⁹ V/m)作用下,电子通过量子隧道效应穿越势垒。电流密度由福勒-诺德海姆方程描述: $$ J propto frac{E}{phi} expleft(-frac{Bphi^{3/2}}{E}right) $$ 其中 $E$ 为电场强度,$phi$ 为功函数,$B$ 为常数。此原理应用于扫描隧道显微镜和场发射显示器。
光子能量超越材料功函数时,电子吸收光子能量而逸出(光电效应),遵循爱因斯坦方程: $$ h u = phi + frac{1}{2}mv $$ 其中 $h u$ 为光子能量。该效应是光伏器件和光电倍增管的工作基础。
高能粒子(电子或离子)轰击材料表面时,激发内部电子逸出。发射系数(二次电子数/入射粒子数)取决于材料特性及入射粒子能量,广泛应用于光电成像管和粒子探测器。
权威参考文献:
电子发射是指电子从材料表面(如金属或半导体)逸出进入真空或其他介质的过程。这一现象广泛存在于电子器件、能源转换和工业应用中,其核心机制是通过外部能量克服材料表面的势垒。以下是详细解释:
电子发射需要电子获得足够能量以克服材料表面的束缚力(称为表面势垒)。根据能量来源不同,可分为多种类型。
热电子发射
通过加热材料使内部电子动能增加,当能量超过表面势垒时逸出。温度越高,发射能力越强。常见于真空管和阴极射线管(CRT)。
光电子发射(外光电效应)
光辐射提供能量,电子吸收光子能量后逸出。应用于光电倍增管和太阳能电池。
场致电子发射(冷发射)
强电场降低表面势垒,使电子通过量子隧穿效应逸出。用于场发射显示器(FED)和扫描电子显微镜。
次级电子发射
高能粒子(如电子或离子)撞击材料表面,将能量传递给内部电子使其逸出。此现象在粒子探测器和某些放大器件中发挥作用。
撞击电子发射
高速阳离子撞击阴极时传递能量引发电子发射,常见于电弧焊接和气体放电过程。
金属的热电子发射电流密度公式为:
$$
J = A T e^{-frac{E}{kT}}
$$
其中,$A$为发射常数,$T$为温度,$E$为逸出功,$k$为玻尔兹曼常数。
以上内容综合了不同来源的分类和机制差异,如需完整信息可参考-4。
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